Удосконалення технологій і обладнання процесу гарячої прокатки кутових профілів в чистових робочих клітях сортопрокатних станів

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДОНБАСЬКА ДЕРЖАВНА МАШИНОБУДІВНА АКАДЕМІЯ

СМОЛЯКОВА ВЛАДЛЕНА ВОЛОДИМИРІВНА

УДК 621.771.01: 621.771.251: 621.771.07

Спеціальність 05.03.05 - процесси та машини обробки тиском

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

УДОСКОНАЛЕННЯ ТЕХНОЛОГІЙ І ОБЛАДНАННЯ ПРОЦЕСУ ГАРЯЧОЇ ПРОКАТКИ КУТОВИХ ПРОФІЛІВ В ЧИСТОВИХ РОБОЧИХ КЛІТЯХ СОРТОПРОКАТНИХ СТАНІВ

Смолякова В.В.

Краматорськ

2011



ДИСЕРТАЦІЄЮ Є РУКОПИС

Роботу виконано у Донбаській державній машинобудівній академії (ДДМА, м. Краматорськ) Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор

Сатонін Олександр Володимирович,

Донбаська державна машинобудівна академія,

професор кафедри "Автоматизовані

металургійні машини та обладнання",

(м. Краматорськ).

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

Смирнов Євген Миколайович,

професор кафедри "Обробка металів

тиском ", Донецький національний

технічний університет Міністерства

освіти і науки України (м. Донецьк).

доктор технічних наук,

старший науковий співробітник

Медведев Віктор Степанович

завідувач відділу прокатного виробництва

УкрДНТЦ "Енергосталь" Міністерства промислової політики України (м. Харків).

Захист відбудеться " 24 " березня 2011 року о 1300 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 12.105.01 по захисту дисертацій у Донбаській державній машинобудівній академії (84313, м. Краматорськ, вул. Шкадінова, 72, 1-й навчальний корпус , ауд. 1319).

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Донбаської державної машинобудівної академії (84313, м. Краматорськ, вул. Шкадінова, 72, 1-й навчальний корпус).

Автореферат розіслано "23" лютого 2011р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

Д 12.105.01, докт. техн. наук, професор

О. Ф. Тарасов



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Розширення сортаменту, підвищення якості та зниження собівартості сортового металопрокату є одними з основних напрямків подальшого розвитку металургійного комплексу України. Рішення даних завдань можливе на основі удосконалення діючих і створення нових високоефективних технологій та обладнання, що може бути здійсненим на основі підвищення ступеня наукової обґрунтованості технічних рішень, які приймаються у кожному конкретному випадку.

Актуальність теми. Одним з найбільш масових видів готової металопродукції чорної металургії як в Україні, так і за кордоном є сортовий металопрокат, серед якого одними з особливо запитаних у машинобудуванні, у будівництві та у ряді інших галузей є гарячекатані кутові профілі.

У наш час процеси гарячої прокатки кутових профілів у чистових робочих клітях сортопрокатних станів, що формують основні показники якості готової металопродукції, вивчені досить повно з погляду інженерних, а в ряді випадків, і чисельних підходів. Разом з тим, особливо стосовно до прокатки економічно найбільш ефективних нерівнополичних кутових профілів, що забезпечують підвищення жорсткості та міцності металоконструкцій, або зниження їх питомої металоємності, цілий ряд питань, таких як урахування асиметрії граничних умов по відношенню не тільки до горизонтальної, а й до вертикальної площин, урахування міждеформаційного знеміцнювання металу, що прокатують, прогнозування ступеня використання його запасу пластичності та основних показників точності результуючих геометричних характеристик готової металопродукції вирішені далеко не повністю. Недослідженим у цьому випадку залишається також ряд питань, пов'язаних з автоматизованим проектуванням технологічних режимів роботи, калібрувань, складу та конструктивних параметрів механічного обладнання чистових, у тому числі й попередньо напружених, робочих клітей сортопрокатних станів.

У світлі викладеного вище подальший розвиток методів автоматизованого розрахунку та проектування технологій і устаткування процесу гарячої прокатки рівнополичних і нерівнополичних кутових профілів у чистових робочих клітях сортових станів, а також розробка практичних рекомендацій з їх подальшого вдосконалення є завданнями актуальними, які мають важливе наукове та практичне значення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертації відповідає науковому напрямку "Створення нових та удосконалення діючих технологій, обладнання і засобів автоматизації у прокатному виробництві" наукової школи Донбаської державної машинобудівної академії. Робота виконана у рамках держбюджетних науково-дослідних робіт відповідно до координаційних планів Міністерства освіти і науки України (№ держ. реєстрації 0108U001649 наказ № 1044 від 27.11.2007, № держ. реєстрації 0110U000112 наказ № 686 від 22.07.2009), а також у рамках госпдоговірних науково-дослідних робіт із ЗАТ "Новокраматорський машинобудівний завод" (ЗАТ "НКМЗ", м. Краматорськ) (№ держ. реєстрації 0105U007248 і № держ. реєстрації 0108U005803), у яких авторка була виконавцем.

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є розширення сортаменту та підвищення якості готової металопродукції, а також забезпечення економії матеріальних ресурсів при гарячій прокатці кутових профілів на основі розвитку методів автоматизованого розрахунку і проектування, а також розробки практичних рекомендацій з удосконалення технологічних режимів роботи та конструктивних параметрів чистових робочих клітей сортопрокатних станів.

Для досягнення зазначеної мети в роботі поставлені й вирішені наступні основні завдання:

уточнити та розширити чисельні математичні моделі напружено-деформованого стану металу при гарячій прокатці рівнополичних і нерівнополичних кутових профілів у чистових робочих клітях сортових станів;

розробити математичні моделі точності результуючих геометричних характеристик гарячекатаних кутових профілів, які б повною мірою враховували реальний характер стохастичних змін вихідних технологічних параметрів по довжині заготівок, що прокатують;

уточнити вихідні передумови та дати експериментальну оцінку ступеня вірогідності отриманих теоретичних рішень;

розробити комплекс математичного, алгоритмічного та програмного забезпечення з автоматизованого розрахунку і проектування технологічних режимів обтиснень, калібрувань, ступеня кінематичної асиметрії та температурних умов реалізації стосовно до гарячої прокатки рівнополичних і нерівнополичних кутових профілів у чистових робочих клітях сортових станів;

виконати аналіз впливу умов реалізації процесу гарячої прокатки тонких кутових профілів різного типорозміру та розробити науково обґрунтовані практичні рекомендації з удосконалення технологій і устаткування чистових робочих клітей сортопрокатних станів.

Об'єкт дослідження. Технології та обладнання процесу гарячої прокатки кутових профілів.

Предмет дослідження. Основні закономірності механізму формування та методи розрахунку напружено-деформованого стану металу та основних показників точності результуючих геометричних характеристик гарячекатаних рівнополичних і нерівнополичних кутових профілів, а також склад і конструктивні параметри чистових робочих клітей сортопрокатних станів.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження напружено-деформованого стану металу проведені з використанням теорії пружності та пластичності, що включають у себе методи чисельного рекурентного рішення кінцево-різницеві форми умови балансу енергетичних витрат виділених елементарних об'ємів, отриманих шляхом розбивання по ширині та довжині осередку деформації на їхню скінченну безліч. Прогнозування точності результуючих геометричних характеристик було виконано на основі розбивання довжин вихідних заготівок та організації наступного ітераційного рішення для кожного окремого поперечного перерізу. Рішення завдань з автоматизованого проектування технологій і устаткування процесу гарячої прокатки кутових профілів у чистових робочих клітях сортових станів виконано з використанням теорії дослідження операцій, що припускає вибір крітериальних оцінок і організації ітераційного рішення відповідних варійовуваних параметрів з використанням методу цілеспрямованого перебору варіантів із кроком, що змінюється.

Експериментальні дослідження процесу прокатки тонких кутових профілів проведені на основі фізичного моделювання в лабораторних умовах на спеціально створеному устаткуванні, а також у промислових умовах з використанням методів тензометрії, вимірювання геометричних параметрів і температур. При обробці результатів експериментальних досліджень і оцінці ступеня вірогідності отриманих теоретичних рішень використані методи теорії імовірності та математичної статистики.

Наукова новизна отриманих результатів:

отримали подальший розвиток чисельні математичні моделі напружено-деформованого стану металу при гарячій прокатці кутових профілів у чистових робочих клітях сортових станів, відмінною рисою яких є урахування міждеформаційного знеміцнювання, розподілів геометричних параметрів, механічних властивостей металу та умов зовнішнього контактного тертя в осередку деформації процесу прокатки як рівнополичних, так і нерівнополичних кутових профілів, а також можливість прогнозування ступеня використання запасу пластичності та показників форми готової металопродукції, в тому числі в залежності від співвідношення кутових швидкостей обертання робочих валків;

вперше стосовно до гарячої прокатки кутових профілів у чистових робочих клітях сортових станів розроблена розгорнута по довжині заготовки чисельна математична модель точності результуючих геометричних характеристик, що враховує реальний характер стохастичної зміни вихідної різнотовщинності, температури, механічних властивостей металу та радіальне биття робочих валків;

отримали подальший розвиток уявлення про механізми впливу основних технологічних параметрів, калібрувань робочих валків і кількісних оцінок модуля жорсткості чистових робочих клітей при реалізації процесу гарячої прокатки рівнополичних і нерівнополичних кутових профілів.

Практична цінність отриманих результатів:

комплекс методик і програмних засобів з автоматизованого розрахунку та проектування технологічних режимів обтиснень, температур, калібрувань робочих валків і кінематичних параметрів процесу гарячої прокатки рівнополичних і нерівнополичних кутових профілів різного типорозміру в чистових робочих клітях сортових станів;

науково обґрунтовані практичні рекомендації з удосконалення технологічних режимів роботи сортопрокатних станів, що забезпечують розширення сортаменту, підвищення якості та зниження собівартості гарячекатаних рівнополичних і нерівнополичних кутових профілів;

технічні рішення з удосконалення конструкцій механічного обладнання сортових станів, спрямовані на підвищення техніко-економічних показників процесу промислового виробництва гарячекатаних кутових профілів.

Результати дисертаційної роботи, у вигляді програмних продуктів, технічних рішень і практичних рекомендацій використані на ЗАТ "Новокраматорський машинобудівний завод", ВАТ "Старокраматорський машинобудівний завод", ВАТ "ТІСО" (м. Краматорськ), ТОВ "Краменергокомплект" (м. Краматорск), ТОВ "Митроль" (м. Краматорск) і в Донбаській державній машинобудівній академії при проектуванні технологічних режимів роботи, складу та конструктивних параметрів обладнання середньо- та дрібносортних станів стосовно гарячої прокатки рівнополичних і нерівнополичних кутових профілів різного типорозміру. Економічний ефект за рахунок зниження трудомісткості проектно-конструкторських і проектно-технологічних робіт з урахуванням дольової участі склав 279 тис. гривень за рівнем цін на кінець 2009 року.

Окремі положення дисертації використовуються на кафедрі "Автоматизовані металургійні машини та обладнання" Донбаської державної машинобудівної академії в рамках викладання ряду спеціальних дисциплін, а також при виконанні науково-дослідних робіт, курсових і дипломних проектів студентами та магістрами спеціальності 8.090218 "Металургійне обладнання".

Особистий внесок здобувача. Авторка самостійно виконала дослідження з уточнення вихідних передумов, розробила математичне та програмне забезпечення з автоматизованого розрахунку та проектування процесів гарячої прокатки рівнополичних і нерівнополичних кутових профілів у чистових робочих клітях сортопрокатних станів, виконала аналіз результатів чисельної реалізації та на їх основі сформулювала практичні рекомендації з удосконалення відповідних технологій і обладнання. Розробила технічний проект і взяла участь у створенні нового експериментального дрібносортного стану 170 ДДМА, брала участь у проведенні експериментальних досліджень різних технологічних схем процесів прокатки кутових профілів. Узагальнила результати теоретичних і експериментальних досліджень, взяла участь у їхньому впровадженні. У роботах, опублікованих у співавторстві, авторці належить розробка математичних моделей, їхня алгоритмізація, програмування, чисельна реалізація, участь у підготовці та проведенні експериментів, аналіз і узагальнення отриманих результатів.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи повідомлені й обговорені на трьох Всеукраїнських науково-технічних конференціях "Перспективні технології та устаткування обробки тиском у металургії та машинобудуванні" (м. Краматорськ, 2004-2006); на науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу ДДМА ( 2007-2010), на III міжнародній конференції молодих учених і фахівців "Металургія XXI століття" (м. Москва, 2007), на науково-практичній конференції, присвяченій пам'яті В.Ф. Потапкина "Розвиток методів розрахунку, удосконалення технологій і устаткування процесів обробки металів тиском" м. Краматорськ, 2007; на V Міжнародній науково-практичній конференції молодих учених і фахівців "Інтелект молодих - виробництву 2007" м. Краматорськ, 2007; на Міжнародній науково-технічній конференції "Фізико-механічні проблеми формування структури та властивостей матеріалів методами обробки тиском" м. Краматорськ, 2007; на Міжнародній науково-технічній конференції ОМТ "Інформаційні технології в обробці тиском" м. Краматорськ, 2008; на Міжнародній науково-технічній конференції "Прогресивні технології пластичної деформації металів" м. Донецьк, 2008; на Міжнародній науково-технічній конференції "Досягнення й перспективи розвитку процесів і машин обробки металів тиском у металургії та машинобудуванні" м. Краматорськ, 2009; на IV Міжнародній науково-практичній конференції "Наука та практика: проблеми, ідеї, інновації" Татарстан, м. Чистопіль, 2009; на Міжнародній науково-практичній конференції присвяченій 75-річчю ЗАТ НКМЗ "Перспективи розвитку металургійного та прокатного устаткування. Сучасні технології виробництва, експлуатація та відновлення прокатних валків" м. Краматорськ, 2009; на наукових семінарах кафедри АММ ДДМА (2010 р.) і об'єднаному науковому семінарі при спеціалізованій раді ДДМА (2010 р.).

Публікації. Матеріали та основні положення дисертаційної роботи опубліковані в 16 статтях з наукової тематики, з них 13 у 12 спеціалізованих відповідно до переліку ВАК України виданнях.

Структура та об'єм роботи. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, списку використаних джерел і додатків. Загальний обсяг роботи 274 сторінки, у тому числі 150 сторінок основного тексту, 75 малюнків і 15 таблиць на 71 сторінці, список використаних джерел з 212 найменувань і 4 додатка на 26 сторінках.



ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми та показаний зв'язок дисертаційної роботи з науковими програмами, планами і темами. Сформульована мета роботи та вирішувані в ній завдання, надані характеристики об'єкта, предмета та методів дослідження, показані наукова новизна і практична цінність отриманих результатів, а також їх апробація. Відзначено особистий внесок здобувача.

Технологічні режими роботи, методи розрахунку, склад, конструктивні

особливості та перспективи розвитку обладнання сортових станів

стосовно до гарячої прокатки кутових профілів (аналіз стану питання)

Подальший розвиток сортопрокатного виробництва, значний внесок у створення наукових і практичних основ якого внесли Барков Л. А., Бахтінов Б. П., Бровман М. Я., Віноградов О. П., Видрін В. М., Гелерман М. М. , Данченко В. М., Динник О. О., Діомідов Б. Б., Єсіков В. Д., Жадан В. Т., Жез Л., Жучков С. М., Ілюковіч Б. М., Клименко В. М., Кноблах А. К., Коновалов Ю. В., Курдюмова В. А., Левченко М. Ф., Литовченко Н. В., Луценко В. О., Луцький Б. М., Медведев В.С., Мінаєв А. А. , Нефедов В. А., Ніколаєв В. А., Полатовскій Б. С., Полухін П. І., Росс Є., Смирнов Є. М., Старченко Д. І., Тарновський І. Я., Тринкс В. , Чекмарьов О. П., Шульгін Г. М. та багато інших вчених, нерозривно пов'язане з розширенням сортаменту, підвищенням якості, зниженням собівартості готової металопродукції, а також забезпеченням максимальної економії матеріальних ресурсів.

Одним з напрямків підвищення техніко-економічних показників виробленого сортового металопрокату є збільшення обсягів виробництва нерівнополичних кутових профілів, що забезпечують зниження питомої металоємності, а також підвищення жорсткості та міцності створюваних конструкцій. У той же час умови реалізації процесу гарячої прокатки нерівнополичних кутових профілів, які характеризуються наявністю асиметрії геометричних і силових параметрів не тільки по відношенню до горизонтальних, а і по відношенню до вертикальних площин роблять необхідним подальший розвиток відповідних методів автоматизованого розрахунку і проектування даної технологічної схеми.

З точки зору вдосконалення технологічних режимів роботи та конструкцій чистових робочих клітей сортопрокатних станів, що визначають основні показники якості одержуваних гарячекатаних кутових профілів, перспективними напрямками є розробка ефективних калібрувань робочих валків і режимів обтиснень, використання механізмів попереднього напруження, а також систем контролю та оперативного управління кінематичними і температурними параметрами.

Вибір напрямків і методів досліджень технологій та устаткування

процесів гарячої прокатки кутових профілів

В якості основного напрямку наукових досліджень в галузі промислового виробництва гарячекатаних кутових профілів слід розглядати всебічне підвищення техніко-економічних показників на основі подальшого розвитку методів автоматизованого розрахунку і проектування, а також розробки та апробування практичних рекомендацій щодо вдосконалення діючих та створення нових високоефективних технологій та обладнання сортопрокатних станів , серед яких особливе місце займають чистові робочі кліті.

З точки зору математичного моделювання напружено-деформованого стану металу при гарячій прокатці рівнополичних та нерівнополичних кутових профілів в чистових робочих клітях доцільним є використання чисельних підходів, заснованих на рекурентному рішенні кінцево-різницевої форми умови балансу енергетичних витрат у рамках виділених елементарних об'ємів, які забезпечують коректне урахування реального характеру розподілів геометричних параметрів, механічних властивостей і умов зовнішнього контактного тертя по довжині та ширині осередку деформації. Необхідним в цьому випадку є подальший розвиток даних математичних моделей за рахунок урахування специфіки умов реалізації процесу гарячої прокатки нерівнополичних кутових профілів і прогнозування таких результуючих показників якості готової металопродукції, як поздовжня різнотовщинність полиць, точність результуючого по довжині відхилення від прямолінійності у вертикальній і горизонтальній площинах, наявність дефектів, пов'язаних зі ступенем використання запасу пластичності металу і т.д.

Уточнення вихідних передумов, а також оцінка ступеня вірогідності отриманих теоретичних рішень повинні бути здійснені на основі результатів експериментальних досліджень, проведених у лабораторних та промислових умовах, у тому числі і з використанням експериментальних установок (рис. 1).

Математичне моделювання напружено-деформованого стану та основних показників якості при гарячій сортовій прокатці

На основі рекурентного рішення кінцево-різницевої форми умови балансу енергетичних витрат, що розглядається в рамках виділених елементарних об'ємів, отриманих шляхом розбиття осередку деформації по його ширині (рис. 2, а, б) і довжині (рис. 2, в, г), отримали розвиток чисельні математичні моделі напружено-деформованого стану металу при гарячій прокатці рівнополичних та нерівнополичних кутових профілів в чистових робочих клітях сортових станів.

З урахуванням строгого запису умови пластичності, що враховує вплив дотичних компонент умови пластичності, величину нормальних і осьових напружень, що діють в кінцевому граничному перетині ЕИ ji-го елементарного об'єму (див. рис. 2) визначали, як:

(1)

(2)

де С1, С2, С3, С4 - допоміжні змінні, які використовуються для спрощення форми запису і відповідають:

;

; ;

- товщина заготівки в початковому ЖЗ і кінцевому ЕИ граничних перетинах виділеного ji-го елементарного об'єму (див. рис. 2);

- крок розбиття по довжині зони пластичної формозміни Lплj;

- поточні по довжині осередку деформації значення коефіцієнтів зовнішнього тертя на контактних поверхнях нижнього і верхнього робочих валків;

-значення опору зсуву металу в початковому і кінцевому граничних перетинах, що враховують міждеформаційне знеміцнення, а також реальний характер зміни ступеня, швидкості та температури деформації по довжині зони пластичної формозміни;

, - густина металу заготівки та швидкість її переміщення в перетинах на виході з робочих валків.

Крім розбиття осередку деформації на ji-ті елементарні об'єми (див. рис. 2), організації на основі залежностей (1), (2) їх рекурентного рішення, а також використання відповідних початкових умов і умов зв'язку чисельна математична модель напружено-деформованого стану металу при гарячій прокатці кутових профілів в чистових робочих клітях включала в себе:

- розрахунок зони пружного відновлення заготівки в перетинах на виході з осередку деформації;

- ітераційну процедуру з розрахунку довжин зон відставання і випередження на кожному з робочих валків з урахуванням кутових швидкостей їх обертання і забезпечення рівності розрахункових і заданих значень переднього натяжіння;

- ітераційну процедуру з урахування пружного сплющення робочих валків;

- організацію чисельного інтегрування з метою визначення вертикальної та горизонтальної складової сили, а також моментів прокатки;

- розрахунок поточних і результуючих показників ступеня використання запасу пластичності металу, що прокатують;

- визначення згинальних моментів, що діють на передній кінець заготовки, що прокатують, у вертикальній і горизонтальній площинах..

Отримані в цьому випадку результати розрахунків (рис. 3) свідчать про досить складний характер розподілу всіх компонентів напруженого стану металу по ширині та довжині осередку деформації, що підтверджує доцільність використаного чисельного підходу.

На основі чисельної математичної моделі напружено-деформованого стану, реалізованої у відповідності з елементами теорії планованого експерименту отримані максимально прості регресійні аналітичні описи енергосилових параметрів процесу гарячої прокатки тонких кутових профілів, які мають вид:

(3)

де у - умовне позначення енергосилових параметрів;

- коефіцієнти регресії, які визначаються з використанням загальноприйнятих методів теорії імовірності та математичної статистики;

- умовні позначення варійовних параметрів, у якості яких розглядали, відповідно, вихідну та кінцеву товщину, напруження плинності металу заготовки, що прокатується, її температуру та показник ступеня кінематичної асиметрії у вигляді співвідношення кутових швидкостей обертання робочих валків.

На основі отриманих регресійних аналітичних залежностей з використанням розбиття вихідної довжини заготівки на скінченну безліч елементарних поперечних перерізів та організації подальшого ітераційного розрахунку системи "робоча кліть- металопрокат" для кожного з них розроблена математична модель і програмні засоби з автоматизованого розрахунку точності результуючих геометричних характеристик, а також ступеня стабільності сили та моментів прокатки з урахуванням стохастичної зміни вихідних технологічних параметрів (рис. 4). Показана доцільність збільшення модуля жорсткості чистових робочих клітей при одночасній стабілізації вихідної товщини полиць і температурного режиму процесу прокатки.

Експериментальні дослідження напружено-деформованого стану металу,

енергосилових параметрів та основних показників якості під час прокатки

кутових профілів в чистових робочих клітях сортових станів

Результати експериментальних досліджень, проведених на спеціальній установці для пластичної деформації металу П750 ДДМА, підтвердили суттєвий вплив ступеня кінематичної асиметрії процесу прокатки відносно тонких заготовок. Зокрема, зі збільшенням з 1,0 до 1,25 поточні значення нормальних контактних напружень знижуються на 10 ... 20 (%), при цьому більші значення вказаного діапазону відповідають більшим значенням співвідношення

На основі результатів експериментальних досліджень інтегральних характеристик енергосилових параметрів і основних показників якості, виконаних на спеціально створеному дрібносортному стані 170 ДДМА (див. рис. 1), встановлено, що використання одного і того ж калібрування при зміні ширини полиць призводить до появи результуючої кривизни у вертикальній площині, кількісна оцінка якої може бути знижена за рахунок відповідної зміни величини відносного обтиснення, досить ефективним у цьому випадку є також цілеспрямована зміна співвідношення кутових швидкостей обертання робочих валків. У разі прокатки нерівнобоких кутових профілів має місце поява кривизни і в горизонтальній площині, зниження якої, у свою чергу, може бути забезпечено за рахунок відповідної зміни співвідношення вихідних товщин полиць або кутових швидкостей обертання робочих валків.

Результати порівняльного кількісного аналізу емпіричних і розрахункових розподілів нормальних контактних напружень по довжині осередку деформацій показали, що відносна похибка знаходиться в діапазоні (%), при цьому нижня і верхня межі довірчого інтервалу при довірчій імовірності 0,95 відповідають З точки зору інтегральних характеристик енергосилових параметрів аналогічні показники відповідають для вертикальної і для горизонтальної складових сили прокатки, а також:

;

,

для моментів прокатки, що підтверджує достатній ступінь вірогідності отриманих чисельних і регресійних математичних моделей напружено-деформованого стану металу при прокатці кутових профілів в чистових робочих клітях сортопрокатних станів. Аналогічні результати на основі критеріїв Смирнова та Уілкоксона отримані по відношенню до чисельної математичної моделі точності результуючих геометричних характеристик при зіставленні розрахункових і експериментальних даних, отриманих в лабораторних умовах на дрібносортному стані 170 ДДМА та в промислових умовах на середньосортному стані 330 Краматорського металургійного заводу.

Запропоновано та реалізовано методику експериментального визначення модулів жорсткості чистових робочих клітей сортопрокатних станів у вертикальній і горизонтальній площинах. Стосовно до робочої кліті дрібносортного стану 170 ДДМА встановлено, що створення попереднього напруження дозволяє підвищити модуль жорсткості у вертикальній площині на 35%, а це, у свою чергу, сприяє зниженню поздовжньої різнотовщинності полиць кутових профілів на 20 ... 30 (%).

Аналіз впливу, розробка програмних засобів з автоматизованого проектування та практичних рекомендацій з удосконалення технологій і устаткування процесу гарячої прокатки кутових профілів в чистових робочих клітях сортових станів

На основі результатів аналізу впливу вихідних технологічних і конструктивних параметрів, який був виконаний стосовно чистової робочої кліті середньосортного стану 330 Краматорського металургійного заводу з використанням розробленого комплексу математичних моделей, отримані кількісні та якісні описи механізмів впливу режимів обтиснень і температур процесу гарячої прокатки кутових профілів, а також радіусів, калібрування та співвідношення кутових швидкостей обертання робочих валків. Встановлено наступне:

необхідна прямолінійність профілів у вертикальній площині може бути забезпечена за рахунок використання відповідного калібрування та співвідношення кутових швидкостей обертання робочих валків, при цьому реалізація другого підходу є більш ефективною з точки зору розширення типорозмірів кутових профілів, що прокатуються в одних і тих же робочих валках;

з точки зору зниження горизонтальної складової сили під час прокатки нерівнополичних кутових профілів найбільш ефективними є зміна кутів калібрування, а також перерозподіл обтиснень і температур прокатки більш широкої і більш вузької полиць.

По відношенню до точності результуючих геометричних характеристик одержуваних кутових профілів найбільший вплив на поздовжню різнотовщинність їх полиць надають вихідна різнотовщинність, ступінь нестабільності температур і механічних властивостей, з точки ж зору результуючої довжини крім зазначених вище параметрів слід додати розмах зміни маси вихідної заготівки. Найбільш істотним вплив приведеного до одиниці ширини модуля жорсткості робочих клітей є в діапазоні 0,0 ... 6,0 (кН/ мм2), в рамках якого має місце підвищення точності результуючих геометричних характеристик при одночасному збільшенні впливу радіального биття робочих валків і розмаху зміни енергосилових параметрів .

З урахуванням технологічних можливостей устаткування сортопрокатних станів створені програмні засоби з автоматизованого проектування технологічних режимів обтиснень при гарячій прокатці кутових профілів. Стосовно до гарячекатаних нерівнополичних кутових профілів розроблені програми з автоматизованого проектування калібрувань робочих валків і співвідношення кутових швидкостей їх обертання, а також деформаційних і температурних параметрів, що забезпечують необхідні показники прямолінійності готового металопрокату.

Отримала розвиток методика розрахунку модуля жорсткості попередньо напружених робочих клітей сортопрокатних станів, стосовно до обладнання, що створюється або реконструюється, розроблені та досліджені варіанти конструктивного виконання механізмів попереднього напруження, що забезпечують підвищення модуля жорсткості робочих клітей на 30 ... 60 (%) і, як наслідок, підвищення точності результуючих геометричних характеристик готової металопродукції.



ВИСНОВКИ

У дисертації виконані нові науково-технічні розробки щодо подальшого розвитку методів автоматизованого розрахунку та проектування, а також з удосконалення технологічних режимів роботи та конструктивних параметрів механічного обладнання чистових робочих клітей сортопрокатних станів і вирішення на цій основі актуальних, таких, що мають практичне значення завдань з розширення сортаменту , підвищення якості та зниження собівартості гарячекатаних рівнополичних та нерівнополичних кутових профілів різного типорозміру.

1. Одним з напрямків підвищення техніко-економічних показників процесів промислового виробництва гарячекатаного сортового металопрокату є збільшення обсягів нерівнополочних кутових профілів, що забезпечують зниження питомої металоємності, а також підвищення твердості та міцності створюваних конструкцій. У той же час умови реалізації процесу гарячої прокатки нерівнополичних кутових профілів, що характеризуються наявністю асиметрії геометричних і силових параметрів не тільки стосовно горизонтальних, а й стосовно вертикальних площин роблять необхідним подальший розвиток відповідних методів автоматизованого розрахунку напружено-деформованого стану й основних показників якості готової металопродукції.

2. На основі чисельного рекурентного рішення кінцево-різницевої форми умови балансу енергетичних витрат, яка розглядається у рамках виділених елементарних об'ємів, отриманих шляхом розбиття осередку деформації по його ширині та довжині, отримали розвиток математичні моделі напружено-деформованого стану металу при гарячій прокатці кутових профілів в чистових робочих клітях сортових станів, відмінними особливостями яких є:

розрахунок усього комплексу локальних та інтегральних характеристик напружено-деформованого стану металу з урахуванням реального характеру розподілів геометричних параметрів, температур і умов зовнішнього контактного тертя, в тому числі й стосовно до прокатки нерівнополичних кутових профілів з яскраво вираженою асиметрією граничних умов щодо вертикальної площини;

можливість розрахунку зони пружного відновлення й одночасного прогнозування ймовірності відхилення від прямолінійності одержуваного металопрокату у вертикальній і горизонтальній площинах;

кількісна оцінка поточних і результуючих показників ступеня використання запасу пластичності металу, що прокатується, і, як наслідок, можливість прогнозування наявності дефектів його суцільності.

3. На основі чисельних математичних моделей, реалізованих відповідно з елементами теорії планованого експерименту, отримані регресійні аналітичні описи енергосилових параметрів процесу гарячої прокатки відносно тонких кутових профілів різного типорозміру, що характеризуються мінімальною трудомісткістю та максимальною швидкодією при вирішенні різноманітних задач автоматизованого проектування та при їх роботі в рамках систем автоматичного керування.

4. З використанням розбиття всієї довжини вихідної заготовки на окремі елементарні поперечні перерізи й організації на основі чисельних або регресійних математичних моделей подальшого ітераційного рішення результуючих геометричних характеристик та енергосилових параметрів для кожного окремого перетину розроблені методики та програмні засоби з автоматизованого розрахунку основних показників точності результуючих геометричних характеристик гарячекатаних кутових профілів з урахуванням стохастичної зміни вихідних технологічних параметрів і конструктивних особливостей чистових робочих клітей сортопрокатних станів.

5. Результати порівняльного аналізу експериментальних і розрахункових розподілів нормальних контактних напружень по довжині осередку деформації показали, що відносна похибка перебуває в діапазоні , при цьому нижня та верхня границі довірчого інтервалу при довірчій імовірності 0,95 відповідають З погляду інтегральних характеристик енергосилових параметрів, отриманих з використанням спеціально спроектованої та створеної робочої кліті дрібносортного стану 170 ДДМА, аналогічні статистичні показники відповідають для вертикальної та для горизонтальної складової сили, а також для сумарного моменту прокатки, що підтверджує достатній ступінь вірогідності отриманих чисельних і регресійних математичних моделей. Аналогічні результати на основі критеріїв Смирнова та Уілкоксона отримані стосовно чисельної математичної моделі точності результуючих геометричних характеристик при зіставленні розрахункових і експериментальних даних, які були зафіксовані у лабораторних і промислових умовах.

6. На основі результатів чисельної реалізації отриманих математичних моделей і відповідних програмних засобів по відношенню до технологічних режимів роботи та конструктивних параметрів сортопрокатних станів встановлено наступне:

з точки зору підвищення ступеня прямолінійності гарячекатаних кутових профілів у вертикальній площині ефективним є використання індивідуальних приводів робочих валків чистових клітей, що забезпечують можливість цілеспрямованої зміни співвідношення кутових швидкостей їх обертання зокрема, стосовно до середньосортного стану 330 зміна даного показника в діапазоні дозволить прокатувати кутові профілі з шириною полиць від 30 до 60 мм при використанні одного і того ж калібрування робочих валків;

з точки зору зниження горизонтальної складової сили при прокатці нерівнополичних кутових профілів найбільш ефективними є зміна кутів калібрування, а також перерозподіл обтиснень і температур прокатки більш широкої та більш вузької полиць, при цьому тільки за рахунок перерозподілу обтиснень в рамках відповідних полів допусків допустиме значення співвідношення ширин становить а за рахунок перерозподілу температур - а поєднання перерозподілів обох параметрів може забезпечити і є більш раціональним з точки зору зниження експлуатаційних витрат;

по відношенню до точності результуючих геометричних характеристик кутових профілів відсоток впливу на поздовжню різнотовщинність їх полиць становить: вихідної різнотовщинності - 25…35 (%), ступня нестабільності температур - 20…30 (%), механічних властивостей - 15…25 (%), де більші значення вказаних діапазонів відповідають меншим значенням модуля жорсткості чистових робочих клітей. Підвищення рівня радіального биття робочих валків однозначно призводить до зниження точності результуючих геометричних характеристик і збільшення розмаху стохастичної зміни енергосилових параметрів процесу гарячої прокатки кутових профілів, при цьому вплив даного параметра зі збільшенням модуля жорсткості робочої кліті зростає, а його кількісна оцінка не повинна перевищувати 10...15 (%) від розмахів відповідних полів допусків;

найбільш істотним вплив приведеного до одиниці сумарної ширини полиць кутових профілів значення модуля жорсткості чистових робочих клітей сортопрокатних станів виявляється в діапазоні 0,0...6,0(кН/мм2), в рамках якого має місце підвищення точності результуючих геометричних характеристик, що свідчить про доцільність використання попередньо напружених клітей, які забезпечують підвищення жорсткості конструкції на 30...60 (%).

7. З урахуванням технологічних можливостей устаткування сортопрокатних станів розроблені програмні засоби з автоматизованого проектування технологічних режимів обтиснень при гарячій прокатці кутових профілів в чистових робочих клітях, стосовно до нерівнополичних кутових профілів створені програмні засоби з автоматизованого проектування калібрувань робочих валків і співвідношення кутових швидкостей їх обертання, а також деформаційних і температурних параметрів, що забезпечують необхідні показники прямолінійності готового металопрокату. Стосовно до створення нових та реконструкції діючих чистових робочих клітей сортопрокатних станів розроблені варіанти конструктивного виконання механізмів їх попереднього напруження по подушках робочих валків.

8. Результати дисертаційної роботи були використані на ЗАТ "Новокраматорський машинобудівний завод", ВАТ "Старокраматорський машинобудівний завод", ВАТ "ТІСО" (м. Краматорськ), ТОВ "Краменергокомплект" (м. Краматорск), ТОВ "Митроль" (м. Краматорск) і в Донбаській державній машинобудівній академії при проектуванні технологічних режимів роботи, складу та конструктивних параметрів обладнання середньо- та дрібносортних станів стосовно гарячої прокатки рівнополичних та нерівнополичних кутових профілів різного типорозміру. Економічний ефект за рахунок зниження трудомісткості проектно-конструкторських і проектно-технологічних робіт з урахуванням дольової участі склав 279 тис. гривень за рівнем цін на кінець 2009 року.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Сатонин А. В. Математическое моделирование напряженно-деформированного состояния металла при горячей сортовой прокатке угловых профилей / А. В. Сатонин, В. В. Смолякова, П. М. Стежкин // Известия вузов. Черная металлургия. - Москва : МИСИС, 2010. - № 11. - С. 16-21.

2. Александров И. В. Аналитическое решение конечно-разностной формы условия баланса энергетических затрат применительно к выделенному элементарному объему очага деформации процесса горячей прокатки / И. В. Александров, А. А. Сатонин, В. В. Смолякова, П. М. Стежкин // Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні : тематич. зб. наук. пр. - Краматорськ : ДДМА, 2005. - С. 481-485.

3. Сатонин А. В. Развитие методов расчета и экспериментальные исследования процессов сортовой прокатки асимметричных угловых профилей / А. В. Сатонин, З. А. Александрова, В. В. Смолякова, П. М. Стежкин // Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні : тематич. зб. наук. пр. - Краматорськ : ДДМА, 2006. - С. 16-19.

4. Сатонин А. В. Математическое моделирование напряженно-деформированного состояния металла при горячей сортовой прокатке тонких угловых профилей сложной формы / А. В. Сатонин, З. А. Александрова, В. В. Смолякова // Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні : тематич. зб. наук. пр. - Краматорськ : ДДМА, 2007. - С. 490-495.

5. Сатонин А. В. Исследование влияния технологических режимов на энергосиловые параметры и основные показатели качества при прокатке угловых профилей / А. В. Сатотнин, З. А. Александрова, В. В. Смолякова, П. М. Стежкин // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском в металургії та машинобудуванні : тематич. зб. наук. пр. - Краматорськ : ДДМА, 2008. - С. 291-294.

6. Сатонин А. В. Развитие методов расчета механизмов предварительного напряжения рабочих клетей листовых и сортовых прокатных станов / А. В. Сатонин, М. В. Федоринов, З. А. Александрова, В. В. Смолякова // Захист металургійних машин від поломок : міжвуз. темат. зб. наук. пр. - Маріуполь, 2008. - Вип. № 10. - С. 95-98.

7. Сатонин А. В. Математическое моделирование процесса асимметричной прокатки относительно толстых листов на основе метода верхней оценки / А. В. Сатонин, З. А. Александрова, В. В. Смолякова // Вісник Східноукраїнського національного університету ім. В.Даля. - Луганськ : СНУ ім. В.Даля. - 2008. - №8 (126) - С. 136-140.

8. Сатонин А. В. Численное математическое моделирование процессов пластической деформации относительно тонкого листового металлопроката на основе силового и энергетического подходов / А. В. Сатонин, В. В. Смолякова, А. А. Иванов // Обработка материалов давлением : сб. науч. тр. - Краматорск : ДГМА, 2008. - № 1(19). - С. 92-98.

9. Сатонин А. В. Регрессионное математическое моделирование энергосиловых параметров процесса прокатки угловых профилей / А. В. Сатонин, З. А. Александрова, В. В. Смолякова, П. М. Стежкин // Обработка материалов давлением : сб. науч. тр. - Краматорск : ДГМА, 2009. - № 1(20). - С. 261-264.

10. Доброносов Ю. К. Математическое моделирование механических свойств металлов и сплавов при их горячей прокатке / Ю. К. Доброносов, В. В. Смолякова. С. С. Настоящая, И. С. Бурдов // Обработка материалов давлением : сб. науч. тр. - Краматорск : ДГМА, 2009. - № 2 (21). - С. 81-84.

11. Дворжак А. И. Исследование влияния технологических режимов на энергосиловые параметры и основные показатели качества при прокатке неравнобоких угловых профилей / А. И. Дворжак, В. В. Смолякова, З. А. Александрова, П. М. Стежкин // Обработка материалов давлением : сб. науч. тр. - Краматорск : ДГМА, 2009. - № 2 (21). - С. 279-283.

12. Сатонин А. В. Развитие методов автоматизированного расчета напряженно-деформированного состояния металла и энергосиловых параметров процесса прокатки сортовых профилей / А. В. Сатонин, В. В. Смолякова, П. М. Стежкин // Ресурсосберігаючі технології виробництва та обробки тиском матеріалів у машинобудуванні : зб. наук. пр. - Луганськ : Вид-во СНУ ім. В.Даля, 2009. - С. 156-163.

13. Федоринов М. В. Методика и результаты экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния металла при асимметричной прокатке / М. В. Федоринов, К. Ю. Юрков, В. В. Смолякова, П. М. Стежкин // Обработка материалов давлением : сб. науч. тр. - Краматорск : ДГМА, 2010. - № 1 (22). - С. 234-238.

14. Сатонин А. В. Математическое моделирование напряженно-деформированного состояния металла при горячей сортовой прокатке тонких угловых профилей сложной формы / А. В. Сатонин, О. Л. Попович, З. А. Александрова, А. А. Сатонин, П. М. Стежкин, В. В. Смолякова // Восточно-европейский журнал передовых технологий. - № 6/1 (18) - 2005. - С. 21-25.

15. Сатонин А. В. Математическое моделирование напряженно-деформированного состояния и основных показателей качества готовой металлопродукции при горячей сортовой прокатке / А. В. Сатонин, З. А. Александрова, В. В. Смолякова // Розвиток методів розрахунку, удосконалення технологій та обладнання процесів обробки металів тиском : матеріали науково-практичної конференції, присвяченої пам`яті В.Ф.Потапкіна. - Краматорськ : ДДМА, 2007.

16. Сатонин А. В. Исследования, посвященные вопросам управления качеством углового профиля при горячей сортовой прокатке / А. В. Сатотнин, З. А. Александрова, В. В. Смолякова, П. М. Стежкин // Прогрессивные технологии пластической деформации металлов : тезисы докладов международной научно-технической конференции. - Донецк : ДонНТУ. - 22-24 сентября 2008. - с. 34.

Особистий внесок здобувача у роботах, опублікованих у співавторстві:

[1,11] - уточнена та розширена математична модель з розрахунку напружено-деформованого стану металу і основних показників якості під час прокатки кутових профілів у чистових клітях сортових станів, виконано аналіз результатів чисельної реалізації;

[2-4,8,14-16] - розвинута методика розрахунку напружено-деформованого стану металу під час гарячої прокатки відносно тонких заготівок;

[5,6,10] - розроблені програмні засоби відповідних математичних моделей, виконано комплекс автоматизованих розрахунків;

[7] - зроблено автоматизований розрахунок, аналіз результатів чисельної реалізації;

[9] - отримано регресійні залежності;

[12] - проведено автоматизовані розрахунки, розроблена експериментальна установка, прийнята участь у проведенні експериментальних досліджень;

[13] -проведення експериментальних досліджень, аналіз результатів експерименту.



АНОТАЦІЯ

Смолякова В. В. Удосконалення технологій і обладнання процесу гарячої прокатки кутових профілів в чистових робочих клітях сортопрокатних станів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.05 "Процеси та машини обробки тиском". - Донбаська державна машинобудівна академія, Краматорськ, 2011.

Дисертація присвячена розвитку методів автоматизованого розрахунку та проектування, а також розробці практичних рекомендацій з удосконалення технологій та обладнання чистових робочих клітей сортопрокатних станів, спрямованих на розширення сортаменту, підвищення якості та зниження собівартості гарячекатаних кутових профілів.

У роботі на основі чисельних і регресійних підходів уточнені та розширені математичні моделі з розрахунку локальних та інтегральних показників напружено-деформованого стану металу, результуючих показників точності геометричних характеристик гарячекатаних кутових профілів різного типорозміру. Достатній ступінь вірогідності отриманих теоретичних рішень підтверджений експериментально.

На основі результатів аналізу впливу сформульовані і вирішені задачі з автоматизованого проектування технологічних режимів і обладнання процесу гарячої прокатки рівнополичних та нерівнополичних кутових профілів, сформульовані практичні рекомендації, спрямовані на їх подальше вдосконалення. автоматизований сортопрокатний гарячекатаний кутовий

Ключові слова: гарячекатані кутові профілі, напружено-деформований стан, показники якості, математичне моделювання, автоматизоване проектування, удосконалення.



АННОТАЦИЯ

Смолякова В. В. Совершенствование технологий и оборудования процесса горячей прокатки угловых профилей в чистовых рабочих клетях сортопрокатных станов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.05 "Процессы и машины обработки давлением". - Донбасская государственная машиностроительная академия, Краматорск, 2011.

Диссертация посвящена развитию методов автоматизированного расчета и проектирования, а также разработке практических рекомендаций по совершенствованию технологий и оборудования чистовых рабочих клетей сортопрокатных станов, направленных на расширение сортамента, повышение качества и снижение себестоимости горячекатаных угловых профилей.

На основе численного рекуррентного решения конечно-разностной формы условия баланса энергетических затрат, рассматриваемого в рамках выделенных элементарных объемов, полученных путем разбиения очага деформации по его ширине и длине, получили развитие математические модели напряженно-деформированного состояния металла при горячей прокатке равнополочных и неравнополочных угловых профилей в чистовых рабочих клетях сортовых станов. Использование численного подхода позволило учесть реальный характер распределений геометрических параметров, температур и условий внешнего контактного трения как по ширине, так и по длине очага деформации, обеспечить возможность расчета зоны упругого восстановления с одновременным прогнозированием вероятности отклонений от прямолинейности получаемого металлопроката.

На основе численных математических моделей, реализованных в соответствии с элементами теории планируемого эксперимента, получены регрессионные аналитические описания энергосиловых параметров процесса горячей прокатки относительно тонких угловых профилей различного типоразмера. С использованием данных математических моделей, исходя из разбиения всей длины исходной заготовки на отдельные элементарные поперечные сечения и организации последующего итерационного решения системы "рабочая клеть-прокатываемая заготовка" разработаны программные средства по автоматизированному расчету точности результирующих геометрических характеристик прокатываемых профилей, учитывающие характер стохастического изменения исходных технологических параметров и конструктивные особенности чистовых рабочих клетей сортопрокатных станов.

Достаточная степень достоверности полученных технических решений подтверждена экспериментально, в том числе и с использованием специально разработанной и созданной конструкции мелкосортного стана 170 ДГМА.

На основе результатов анализа влияния технологических режимов работы и конструктивных параметров оборудования чистовых рабочих клетей сортопрокатных станов сформулированы критериально и решены программно задачи по автоматизированному проектированию технологических режимов обжатий, применительно к горячекатаным неравнополочным угловым профилям разработаны программные средства по автоматизированному проектированию калибровок рабочих валков и соотношения угловых скоростей их вращения, а также деформационных и температурных параметров, обеспечивающих требуемые показатели прямолинейности готового металлопроката. Применительно к созданию новых и реконструкции действующих чистовых рабочих клетей сортопрокатных станов разработаны рекомендации о совершенствованию технологических режимов работы и конструктивных исполнений механизмов их предварительного напряжения по подушкам рабочих валков.